一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置及方法与流程

本发明涉及一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置及方法，特别涉及用于研究分流挤压模具型腔内变形金属的挤压焊合行为与微观组织演变过程的挤压装置与方法。

背景技术：

随着工业技术的飞速发展，能源、资源和环境等全球性问题日渐突出。轻量化成为节约资源、减少环境污染和实现可持续发展的重要途径。铝锂合金、铝合金、镁合金型材作为一种典型的轻量化构件，在航空航天、武器装备、轨道交通运输以及建筑工程结构等领域的应用愈发广泛。分流挤压作为一种结合塑性成形和固态焊合的复合工艺，是制备空心铝锂合金、铝合金、镁合金等轻质合金挤压型材的关键工艺。在分流模挤压过程中，位于挤压筒内的金属首先被分流桥劈开，然后以固态焊合的方式在焊合室内进行焊合，最后通过挤压模具工作带成形为挤压型材。因此，采用分流模挤压所制备的挤压型材中不可避免地存在纵向焊缝。由于分流挤压所制备的挤压型材的纵向焊缝所在位置处容易存在焊合缺陷，在挤压型材服役过程中，纵向焊缝常常成为首先发生失效的位置。因此，研究挤压型材纵向焊缝的形成过程(即分流挤压焊合过程)并有效调控焊缝的焊合质量成为采用分流挤压工艺制备空心铝锂合金、铝合金、镁合金等轻质合金挤压型材的核心问题。

在分流挤压过程中，由于固态焊合过程在封闭的挤压模具型腔内进行，直接观察和监测变形金属的焊合行为极其困难。利用数值模拟技术可分析挤压焊合过程中材料的流动行为以及宏观物理场量(如温度、速度、应力、应变以及压力等)的演变过程，但目前的数值模拟技术尚不能模拟真实的固态焊合行为和微观组织演变过程。因此，建立一种有效的可直接研究分流挤压过程的装置及方法尤为重要。目前，人们主要采用热压缩和平板轧制等物理模拟方法间接研究分流挤压焊合过程中的固态焊合问题，但由于试样的表面状态以及试样在固态焊合过程中所承受的应力-应变状态与分流挤压过程中的材料在发生固态焊合时所具有的表面状态和应力-应变状态存在较大差异，因此采用热压缩和平板轧制等物理模拟方法研究挤压过程中的固态焊合过程存在明显的局限性。由于分流挤压的固态焊合过程在挤压模具型腔内进行，研究模具型腔内变形金属的焊合界面及其微观组织演变过程成为研究挤压型材分流挤压焊合过程并实现焊缝焊合质量有效调控的最直接的方法。目前，人们通过设计一些简单的模块化挤压模具，以研究挤压型材的挤压焊合行为，但这些挤压模具存在明显缺陷：一是取出挤压模具型腔内的变形金属极为困难，绝大多数情况下需要破坏挤压模具才能取出模具型腔内的变形金属，这严重限制了对挤压型材分流挤压焊合过程的直接研究；二是所制备的挤压型材尺寸较小，较小尺寸的挤压型材不便于综合评估分流挤压焊合焊缝的力学性能。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置，该装置可以在较低吨位的压力机上制备较大尺寸的板材试样，取件方便且不破坏挤压模具，尤其适用于研究分流挤压模具型腔内变形金属的挤压焊合行为与微观组织演变过程。

一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置的具体方案如下：

一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置，包括：

凸模，凸模设于挤压杆的底部，挤压杆与压力机上工作台固定连接；

凹模，设于凸模的下方，凹模包括内部设有倒锥形孔的模套，模套内从上到下依次同轴线设置挤压筒、分流模、焊合模和成形模；

模座，与模套紧固连接，且模座空心设置；

加热部件，加热部件围绕模套设置；

支撑座，支撑座设于压力机下工作台，支撑座内侧设置升降部件，升降部件顶部与成形模接触，以通过升降部件的升高取出成型件。

上述的挤压模具，由压力机带动支撑座，进而带动凹模的上下运动，从而实现对坯料的挤压，可获得大尺寸的板材试样，便于研究挤压型材焊缝的力学性能，而且通过升降部件的设置，方便取样。

所述模套上表面设置压环，压环与所述的模座固定连接，模套与凹模外壁紧密配合，用于约束凹模，防止挤压过程中金属进入模具的结合面产生飞边，压环与模座通过螺纹紧固件连接，模套与模座通过螺纹紧固件连接，支撑座起支撑作用，支撑座上开设四个观察窗口；

进一步地，所述压环下表面内侧设有与挤压筒配合的缺口环。

所述挤压筒上表面内侧设有台阶，在台阶外侧设有套环。

在所述挤压筒的筒体内侧设有第一温度计；

在所述成形模的模体内侧设有第二温度计，温度计与温度控制器连接，温度控制器带有显示器，加热部件为加热圈，加热圈与温度控制器连接，以对加热圈的加热温度进行控制，另外，在加热圈的外侧设置保温层，加热圈采用陶瓷加热圈，加热最高温度可达700℃，保温层采用保温棉。温度计为热电偶，采用直径为2mm的k型铠装热电偶。

所述挤压套、分流模、焊合模和成形模各自包括至少两块拼接块，模套为整体构件，这样的设置可在升降机构顶出模具后，通过拆卸，方便取出模具内部的工件，这样可在试验的任何过程中，较为快速地取出各个结构内的正在成型的工件，可用于查看微观组织演变过程。

为了保证模套与凹模的配合，所述挤压筒内表面为圆柱面，外表面为锥面。

所述分流模内部设有分流桥，分流模的外表面为锥面，内部型腔呈喇叭状。

所述成形模的外表面为锥面，内部型腔为矩形孔；

进一步地，挤压筒、分流模、焊合模和成形模通过紧固件紧固连接，连接后其外壁整体形状为锥形，锥角优选为6°，此外，挤压筒、分流模、焊合模和成形模各自都可更换，以满足不同试验要求。

所述升降部件包括至少两个液压顶杆，液压顶杆以挤压筒的中心轴线对称设置。

此外，在压力机上工作台下表面设置垫板，垫板中部设置定位块，挤压杆顶部设置与定位块配合的凹槽，定位块凸出垫板设置，凸模的宽度大于挤压杆的宽度，采用定位块实现凸模与压力机中心轴的对中，挤压杆内设置螺纹紧固件，凸模通过该螺纹紧固件与挤压杆实现连接，垫板、固定板通过螺栓与压力机上工作台进行固定。

在本发明的方案中，分流模的分流腔为喇叭状，可使得挤压筒内的原始坯料在较小的挤压力下进入分流腔，并在分流腔内逐渐扩展，从而实现在较低压力下制备较大尺寸的板材试样的目的，所述分流桥为独立分流桥，位于分流腔的中性面，更换方便且分流桥的形状和高度可灵活调整。所述焊合模存在具有一定锥度的焊合腔，分流模分流腔内的变形金属在焊合模的焊合腔内进行固态焊合形成焊缝，焊合腔的锥度根据实验需求调整。所述成形模包括工作带和空刀两个部分，位于焊合模焊合腔内的变形金属在成形模的工作带成形为规定尺度的板材，板材横截面积可根据实验需求进行调整，从而获得不同的挤压比。

一种用于研究分流挤压型材焊缝质量的试验方法，采用挤压模具结构的使用方法，步骤如下：

1)准备设定直径大小的挤压坯料，并将其放入挤压筒内；

2)启动加热部件，加热部件加热到设定温度后，保持设定时间；

3)启动压力机，压力机下工作台逐渐向上运动，使得位于挤压筒内的坯料在分流模中被分流桥劈开为两股金属，被劈开的两股金属逐渐填充分流模的型腔，并在焊合模的型腔内发生固态焊合形成焊缝，然后通过成形模的工作带成形为中性面上存在焊缝的挤压型材；

4)当于挤压筒内的坯料挤压到预设长度后，压力机的下工作台回撤，升降部件将由挤压筒、分流模、焊合模和成形模组成的凹模顶出；

5)待凹模冷却后，打开模具，取出模具型腔内的变形金属；

6)对获得的变形金属进行微观组织分析和力学性能测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明装置取件方便且不破坏模具结构，能够直接获得挤压模具型腔内的变形金属，为研究铝锂合金、铝合金、镁合金等轻质金属分流挤压过程中的挤压焊合行为与微观组织演变过程提供原料。

(2)能够显著降低挤压力，在较低吨位的压力机上制备出较大尺寸的挤压型材，便于研究挤压型材焊缝的力学性能。

(3)分流桥、焊合腔以及焊合模工作带的结构参数可根据实验需求灵活调整，有利于研究挤压模具结构参数对挤压型材焊缝缺陷和力学性能的影响。

(4)挤压温度和速度可精确控制和灵活调整，为研究挤压工艺参数对挤压型材焊缝缺陷和力学性能的影响提供可靠的实验数据。

(5)通过采用对分式模具结构，可以直接取出挤压模具内的变形金属而不破坏模具结构，便于直接研究分流挤压焊合过程。

(6)通过采用喇叭状结构，可以降低挤压力，实现在较小吨位挤压机上制备较大尺寸挤压型材的目的，从而有利于对挤压型材焊缝力学性能的综合评估。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的挤压装置的装配图。

图2为本发明中分流模的纵剖面结构图。

图3为本发明中分流模的俯视结构图。

图中：1.压力机上工作台，2.垫板，3.螺纹紧固件，4.固定板，5.螺纹紧固件，6.定位块，7.螺纹紧固件，8.挤压杆，9.凸模，10.螺纹紧固件，11.压环，12.套环，13.坯料，14.热电偶，15.保温层，16.加热圈，17.定位销，18.热电偶，19.模座，20.螺纹紧固件，21.支撑座，22.压力机下工作台，23.挤压筒，24.模套，25.螺纹紧固件，26.分流模，27.分流桥，28.焊合模，29.成形模，30.螺纹紧固件，31.液压顶杆，32.螺纹紧固件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于研究分流挤压焊合过程的模具装置，包括凸模9，由挤压筒23、分流模26、分流桥27，焊合模28和成形模29组合成的凹模，由加热圈16、由保温层15、热电偶14、18和温度控制柜(图中未画出)构成的加热部件以及一些辅助工具。

凸模9与挤压杆8通过螺纹紧固件7连接，挤压杆8采用固定板4进行固定，定位块6对挤压杆8进行定位，垫板2的下表面与挤压杆8及固定板4紧密接触，上表面与压力机上工作台1紧密接触，通过螺纹紧固件3和5将固定板4和垫板2固定在压力机上工作台1上。

凹模从上而下依次为挤压筒23、分流模26、焊合模28和成形模29，分流桥27设于分流模内。挤压筒23内表面为圆柱面，外表面为锥面，顶部存在一个台阶。分流模26的外表面为锥面，内部型腔呈喇叭状，上小下大，图2为该分流模的纵剖面结构图，图3为该分流模的俯视结构图。分流桥27为独立的分流桥，与分流模26通过卡槽相互配合。焊合模28的外表面为锥面，内部型腔为锥面。成形模29的外表面为锥面，内部型腔为矩形孔。挤压筒23、分流模26、焊合模28和成形模29均由沿轴向劈开为对称的两部分拼合而成。挤压筒23、分流模26、焊合模28和成形模29通过螺纹紧固件25连接，并通过定位销17进行定位。

加热部件包括固定在模套24外表面的加热圈16，包裹在加热圈16外表面的保温层15，插入到挤压筒23中的热电偶14、插入到成形模29工作带附近的热电偶18以及温度控制柜(图中未画出)构成。加热圈16对挤压模具和放置在挤压筒23内的圆柱状坯料13进行加热。热电偶14监测挤压筒和坯料的温度，热电偶18监测工作带附近的温度。

辅助工具包括套环11、模套24、模座19、支撑座21、液压顶杆31以及螺纹紧固件10、20、30以及32。套环11嵌套于挤压筒23顶部台阶的外壁，用于约束对分式挤压筒23。模套24与凹模外壁紧密配合，用于约束凹模，防止挤压过程中金属进入模具的结合面产生飞边。支撑座21起支撑作用，支撑座21上开设四个观察窗口。液压顶杆31，用于顶出凹模。压环11与模座19通过螺纹紧固件10连接，模套24与模座19通过螺纹紧固件30连接，支撑座21与压力机的下工作台22通过螺纹紧固件32连接，模座19和支撑座21通过螺纹紧固件20连接。

如图1所示，本发明通过挤压在不破坏挤压模具结构的情况下获得挤压模具型腔内的变形金属，包括以下步骤：

(1)准备挤压材料。从均质处理后的铸锭上采用机加工的方式制备出高度为120mm、直径为122mm的圆柱状坯料13。

(2)组装挤压装置，并将圆柱状坯料13放入挤压筒23内。

(3)启动加热部件，加热圈16以10℃/min的速度将挤压筒23和坯料13加热到指定温度(400-530℃)，并保温10分钟。

(4)启动压力机，设定油缸速度(0.1mm/min-150mm/min)，压力机的下工作台22逐渐向上运动，使得位于挤压筒23内的坯料在分流模26中被分流桥27劈开为两股金属，被劈开的两股金属逐渐填充分流模的型腔，并在焊合模28的型腔内发生固态焊合形成焊缝，然后通过成形模29的工作带成形为中性面上存在焊缝的挤压型材。

(5)当于挤压筒23内的坯料13挤压到预设长度后，压力机的下工作台22回撤，液压顶杆31将由为挤压筒23、分流模26、分流桥27、焊合模28和成形模29组成的凹模顶出。

(6)待凹模冷却后，打开模具，取出模具型腔内的变形金属，通过变形金属进行微观组织分析和力学性能测试，便可研究分流挤压模具型腔内变形金属的挤压焊合行为与微观组织演变过程。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。